Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современной космической робототехники 12
1.1. РТС орбитального назначения 12
1.1.1. Бортовые манипуляторы Canadarm и Canadarm2 12
1.1.2. Dextre 13
1.1.3. Система бортовых манипуляторов «Аист» 13
1.1.4. Робот-манипулятор ERA (EuropeanRoboticArm) 14
1.1.5. Манипулятор японского экспериментального модуля «Кибо» 16
1.1.6. Космический манипулятор DORES 18
1.1.7. Робот Eurobot 19
1.1.8. Робот Robonaut 20
1.1.9. Персональный помощник астронавта PSA 22
1.1.10. Манипулятор DLR 23
1.1.11. Манипулятор DLR-HIT-Hand 24
1.1.12. Платформа DLR-Justin 25
1.1.13. Манипулятор Barrett-Hand 25
1.1.14. Мапниулятор Shadow-Hand 26
1.2. Задачи развития космических РТС 27
1.2.1. Кинематические схемы 27
1.2.2. Мобильность 28
1.2.3. Приводы 29
1.2.4. Антропоморфные механизмы 29
1.2.5. Программное обеспечение и система управления 30
1.2.6. Технологии разработки
1.3. Обоснование задачи и методы ее решения 31
1.4. Выводы 33
ГЛАВА 2. Разработка структуры транспортно манипуляционной системы (ТМС) 35
2.1. Обоснование назначения и функциональных требований к создаваемой ТМС 35
2.2. Технический облик ТМС 38
2.2.1. Узлы и компоненты ТМС 41
2.2.1.1. Кинематическая схема ТМС 41
2.2.1.2. Типовые шарниры 42
2.2.1.3. Захватные устройства 44
2.2.1.4. Интерфейсные устройства 45
2.2.1.5. Управление и связь 45
2.2.1.6. Моделирующее программное обеспечение 46
2.2.1.7. Прогнозные характеристики ТМС
2.2.2. Построение системы очувствления 48
2.2.3. Построение системы управления (СУ) 49
2.3. Реконфигурация ТМС 50
2.3.1. РТС с одним манипулятором 51
2.3.2. РТС с двумя манипуляторами 52
2.3.3. РТС с 3-мя манипуляторами 54
2.3.4. РТС с 4-мя манипуляторами 55
2.3.5. Оценка эффективности схем построения РТС 56
2.4. Выводы 60
ГЛАВА 3.Компьютерное исследование ТМС. 61
3.1. Кинематическое и динамическое моделирование ТМС 61
3.1.1. Кинематическое моделирование 61
3.1.2. Динамические усилия на опорных такелажных элементах 63
3.1.1. Статические усилия при выполнении технологических операций
3.2. Расчет температурных режимов 69
3.3. Исследование сенсорной системы ТМС
3.3.1. Формирование состава сенсорной системы 86
3.3.2. Размещение элементов сенсорной системы на ТМС 88
3.3.3. Датчик выходного момента шарнира 90
3.3.4. Шестикомпонентный датчик сил и моментов 93
3.4. Исследование функциональных модулей ТМС 99
3.4.1. Модель ЗУ для крепления на элементах конструкций техногенного ландшафта 99
3.4.2. Модель ЗУ для работы со сменным инструментом 102
3.4.3. Модель стыковочного устройства 103
3.5. ВЫВОДЫ 105
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование элементов ТМС 106
4.1. Испытания функциональных модулей и сенсорной системы ТМС 106
4.1.1. Датчик момента 106
4.1.2. Шестикомпонентный датчик сил и моментов 109
4.1.3. Захватные устройства ТМС
4.2. Испытания элементов тмс в термовакуумной камере 113
4.3. Работы по реализации космического эксперимента 117
4.4. Выводы 122
Заключение 123
Список использованных источников
- Бортовые манипуляторы Canadarm и Canadarm2
- Технический облик ТМС
- Кинематическое моделирование
- Шестикомпонентный датчик сил и моментов
Бортовые манипуляторы Canadarm и Canadarm2
В Институте DLR совместно с Харбинским технологическим институтом (HIT) был разработан новый манипулятор (рисунок 1.13). DLR HIT-Hand, в отличие от предыдущих конструкций, состоит из пяти модульных пальцев с четырьмя суставами и тремя степенями подвижности. В общей сложности 15 электроприводов встроены в пальцы и запястье. В качестве приводов использованы плоские бесщеточные двигатели постоянного тока с цифровыми датчиками Холла. Каждый сустав снабжён абсолютным датчиком угла и тензометрическим датчиком момента
Гуманоидная верхняя часть тела Justin (рисунок 1.14) создана как универсальная платформа для исследования двуручных манипуляций. Эта система состоит из двух четырехпальцевых кистей рук DLR-Hand-II и двух рук с 7 степенями подвижности, установленных на подвижном туловище с тремя степенями подвижности. Все 41 степени подвижности снабжены датчиками момента в дополнение к общим датчикам позиционирования.
Манипулятор Barrett-Hand [22] является программируемым мультипальцевым манипулятором со способностью к манипуляции целевых объектов разных размеров, форм и ориентаций (рисунок 1.15). Манипулятор обладает малым весом весом в 1,18 кг и компактной формой с полной интеграцией всех собственных составляющих частей. Стандартный промышленный интерфейс позволяет интегрировать его с другими несущими индустриальными платформами. Barrett-Hand включает в свою конструкцию процессор, программное обеспечение, систему интерфейса, электронику, серво-контроллеры и 4 бесщеточных двигателя. Из трех пальцев два обладают дополнительной степенью подвижности, обеспечивающей их латеральное движение в пределах 180 градусов, позволяющее исполнение различных типов захватов. Манипуляторы имеют запатентованный механизм привода пальцев.
Shadow-Hand [23] — это робототехническая кисть руки, разработанная фирмой Shadow (рисунок 1.16). Она способна выполнять 24 различных движения для как можно более точного воспроизведения степеней свободы человеческой руки. Она была разработана для воспроизведения сопоставимых с человеческой рукой захватной контактной силы и чувствительности её движения. В модели используется система электрических приводов фирмы Shadow, состоящая из 20 электромоторов, установленных в запястье. Каждый электромотор связан с суставом через пару тяговых тросов. Манипулятор включает также электронику, систему редукторов, датчики контактных сил и систему интерфейса с другими устройствами. Кисть-манипулятор Shadow-Hand, обладая высокой степенью интеграции компонентной базы, предназначена для проведения научных исследований и построена в учебных целях.
Все разработанные ранее и функционирующие сегодня в космосе РТС являются манипуляторами с фиксированной точкой крепления (Canadarm, Canadarm2, Dexter, СБМ «Аист», JEMRMS, DORES), в то время как перспективные разработки чаще всего представляют собой мобильные конструкции (ERA, Eurobot, Robonaut). Основной принцип построения РТС в том, что полная кинематическая достаточность достигается 6-ю степенями подвижности в классической конфигурации. Уменьшение количества степеней подвижности (кинематически недостаточная система) или его увеличение (кинематически избыточная система) возможно за счет ограничения манипуляционных возможностей (например, для снижения габаритов и массы) или их повышения (например, для обхода препятствий в рабочей зоне). В каждом конкретном случае решение в пользу той или иной кинематической схемы принимается исходя из задач РТС.
В то время как традиционные манипуляционные системы неподвижно закреплены в месте своего функционирования (Canadarm, Dexter, СБМ "Аист", JEMRMS, DORES), все большее значение придается возможности их перемещения по наружной поверхности КА. Манипулятор Canadarm2, хоть и представляет собой неподвижный манипулятор, способен перемещаться по предопределенному маршруту по рельсам, проложенным на американском сегменте МКС, путем закрепления его на специальной мобильной платформе. Мобильный манипулятор ERA способен шагать по базовым точкам, расположенным на РС МКС, удерживаясь на них попеременно двумя своими захватными устройствами. В более современные системы Eurobot и Robonaut закладывается возможность перемещения по разнообразным элементам конструкции – поручням и устройствам фиксации, используемым космонавтами для удержания на наружной поверхности МКС.
С развитием мобильности связана задача обеспечения РТС энергией и связью. Если для неподвижных РТС возможна прокладка кабельной трассы, то мобильность устройства предполагает необходимость переноса на борту аккумуляторов и обеспечения беспроводной связи. Как один из альтернативных вариантов, возможна прокладка кабельной трассы к каждой из такелажных точек на пути следования РТС, но этот вариант связан с утяжелением конструкции аппарата и усложнением его систем.
Приводы современных РТС космического назначения представляют собой высокотехнологичные цифро-аналоговые мехатронные устройства, включающие двигатель, редукторные передачи и подшипники, различные датчики (положения, скорости, момента и др.), управляющую аппаратуру и контроллеры для реализации алгоритмов управления. Вопрос о совершенствовании приводов является одним из ключевых, поскольку он определяет характеристики шарниров, энергозатраты и эффективность работы РТС в целом. Поэтому очевидной является тенденция выполнять собственные разработки систем приводов.
Другой особенностью современных РТС космического назначения, по сравнению с предшествующими разработками, и важным шагом в развитии робототехники является появление и развитие антропоморфных систем, приближенных по своей структуре к человеческой руке (Eurobot, Robonaut), многопальцевых робототехнических кистей (Robonaut), развитые системы очувствления, включающие техническое зрение, средства распознавания речи (Eurobot, Robonaut), тактильные датчики и прочие сенсоры, позволяющие роботам иметь максимум информации об окружающей среде. Повсеместность распространения этих технологий дает основания утверждать, что в современной космической робототехнике технологии построения антропоморфных систем являются неотъемлемой частью всего процесса разработки РТС, без которого уже становится невозможной конкуренция на мировом рынке.
Технический облик ТМС
Рассматривая аспекты построения ТМС, связанные с передвижением по внешним поверхностям КА, необходимо выделить следующие предпосылки: - инфраструктура российского сегмента (РС) МКС представляет собой совокупность нерегулярно расположенных такелажных элементов (поручней для крепления космонавтов, базовых точек манипулятора ERA, разрабатываемого Европейским космическим агентством); - модули РС МКС и их различные части имеют разные форму и размеры, а также разные совокупности такелажных элементов; - инфраструктура РС МКС существенно отличается от инфраструктуры американского сегмента.
Для решения задачи передвижения по внешней поверхности РС МКС потребуется создание универсального шагающего механизма, способного двигаться по поверхностям произвольной формы и преодолевать разнообразные препятствия. В качестве базовой модели кинематики предложена семистепенная симметричная конструкция, представленная на рисунке 2.3. В этом варианте использовано минимальное число конечностей (две ноги), необходимое для перемещения.
Выбранная конструкция обладает кинематической избыточностью вследствие ее симметричности, позволяющей одинаковым образом манипулировать обеими ногами. При этом имеются необходимые степени подвижности для позиционирования и ориентации захватов. Поэтому такая кинематика позволит ТМС передвигаться по поверхностям произвольной формы с препятствиями.
Симметричность конструкции гарантирует эквивалентность возможностей при движении с правой и левой ноги, а также позволит использовать унифицированные алгоритмы движения.
Конструкция захватных устройств на концах ног-манипуляторов должна предусматривать возможность схвата за объекты различной формы: поручни всех имеющихся на модулях РС МКС видов, элементы инфраструктуры, создаваемой для манипулятора ERA.
Подходы к реализации алгоритмов движения робота при наличии соответствующих систем получения, обработки и интерпретации информации о внешней среде должны минимизировать участие человека в процессе перемещения платформы по поверхности КА. Для этого система управления должна обеспечивать как супервизорный режим управления человеком-оператором, так и автономный режим передвижения.
В качестве базовой походки предлагается так называемое «циркульное» хождение, которое обеспечит высокую скорость и простоту движения по монотонной поверхности. Немаловажно, что при таком способе ходьбы задействованным оказывается минимальное число приводов шарниров (это приводы шарниров тангажа 5 и рысканья 6), а остальные будут, при необходимости, корректировать движение. Этим достигается экономия энергии, потребляемой во время движения.
В процессе движения ТМС должна использовать для планирования и отработки траекторий компьютерную модель, верификация точности которой будет происходить на основе данных, поступающих от сенсорной системы ТМС. Трехмерная компьютерная модель также может быть задействована человеком-оператором для компенсации недостатка видеоинформации от телевизионных камер или для проведения тренировочных симуляций с целью отработки технологических операций [27].
Для выработки подходов к проектированию мехатронных компонентов ТМС необходимо определить ее проектный облик, удовлетворяющий перечисленным выше требованиям.
Внешний вид ТМС, выработанный в соответствии с перечисленными принципами, показан на рисунке 2.4. Обозначены следующие основные составные части ТМС: 1 — две ноги с захватными устройствами для крепления на поручнях РС МКС, которые можно рассматривать как единую кинематическую цепь;
ТМС состоит из двух кинематических цепей: ноги, представляющие собой 7-степенной манипулятор, и 6-степенная манипуляционная система.
Шесть степеней позволяют перемещать захватное устройство в 3-мерном пространстве. Семь степеней свободы в ногах также позволяют выполнять произвольное перемещение и повороты в пространстве, при этом дополнительный шарнир служит для большей подвижности и того, чтобы сделать схему симметричной. Таким образом, ТМС сможет одинаковым образом перемещаться на обеих ногах, преодолевая препятствия, сопряжения поверхностей, закругления корпуса МКС и т.д.
Представленная кинематическая схема позволяет так же складывать ТМС в компактное транспортное положение, как показано на рисунке 2.5, что является важным при конструктивных требованиях по доставке ТМС в ТГК «Прогресс» и извлечения через шлюзовую камеру .
Кинематическое моделирование
Четыре манипулятора на общем корпусе образуют «приматоморфную» РТС (рисунок 2.17). Основным ее преимуществом является повышенная точность и жесткость фиксации на ОС за счет захвата за три точки. При этом четвертый манипулятор остается свободным для выполнения операций, требующих повышенную точность, жесткость и нагрузочную способность. Возможна работа одновременно двумя манипуляторами.
РТС с большим количеством манипуляторов из-за сложности требуются редко. Поэтому представляется целесообразным в качестве базовой РТС рассматривать систему с двумя манипуляторами. И только в особо сложных случаях можно рассматривать возможность объединения таких РТС (рисунок 2.18). Рис. 2.17. РТС с 4-мя манипуляторами на общем корпусе
РТС, состоящая из двух систем с 2 манипуляторами Более сложные РТС с 6-ю манипуляторами и более (инсектоморфные) потенциально перспективны для работ на нежестких объектах, например, композитных сетках, или для сборки пространственных крупногабаритных конструкций. Однако более сложные РТС относятся к отдаленной перспективе.
В качестве общего критерия сравнения альтернативных схем построения РТС можно выбрать некоторый комплексный показатель эффективности Qk, например, следующего вида, исходя из работ [4, 24]:
Для конкретизации данного показателя эффективности требуется обширная исходная информация об операциях, которая может быть получена только от специалистов в области космической техники. Поэтому в качестве упрощенного критерия сравнения альтернативных схем может быть использован показатель Qs относительной функциональной эффективности:
Qs = So / Go, где So — показатель суммарной функциональности, Go — показатель сложности кинематики РТС.
Показатель сложности кинематики:
Go = Xm + 0,3 Ys, где Xm — количество степеней подвижности манипуляторов, способных при движении преодолевать значительное сопротивление, то есть оказывать активное силовое воздействие на окружающую среду; Ys — количество степеней подвижности, способных вращаться только без нагрузки (кроме внутреннего трения) с последующей фиксацией.
Сложность и масса таких шарниров примерно в 3 раза меньше по сравнению с активными степенями подвижности манипуляторов. Показатель суммарной функциональности: So = Sj, где Sj — показатель эффективности выполнения j-й задачи из полного перечня задач. При невозможности выполнения операции Sj = 0. Если для выполнения операции нет препятствий, то Sj = 1. Если задача может решаться не всегда, а только при благоприятных условиях, то Sj = 0,5.
Сравним приведенные выше схемы построения РТС, в том числе и по относительной функциональности. Пример с конкретными числами приведен в таблице 2.3.
Первая схема с 1-м манипулятором является простейшей. Она используется в стационарных манипуляторах и в мобильных роботах, шагающих по унифицированным базовым точкам. Применительно к рассматриваемой задаче, для шагания используются поручни. В такой схеме проблематична оперативная смена рабочих органов. Базирование только на одном локальном участке поручней не позволяет достичь высокой точности, жесткости и нагрузочной способности. Поэтому первая схема пригодна только для относительно простых задач визуальной инспекции.
Во второй схеме с 2-мя манипуляторами в качестве основного варианта использования системы предполагается шагающим манипулятором перемещаться и удерживаться на двух локальных участках поручней. А технологический манипулятор служит для перемещения полезных грузов и выполнения некоторых монтажных операций. Базирование на двух участках поручней является на порядок более жестким по сравнению с захватом только за один участок. Таблица 2.3 Сравнение схем построения РТС
Компоновочная схема в виде последовательной цепи 3-х манипуляторов отличается наибольшим возможным вылетом от точки захвата поручней до рабочего органа. Здесь также возможны работы с повышенной точностью и нагрузкой за счет корректного базирования системы на КА по трем разнесенным точкам. Однако эта схема неблагоприятна для операций, выполняемых одновременно двумя манипуляторами. Кроме того, она сложнее предыдущих.
Схема с 4-мя манипуляторами способна выполнять большинство требующихся функций. Здесь возможно базирование по трем участкам поручней, значительно удаленных друг от друга. При этом сохраняются свободными для работы еще два – три манипулятора. Появляется возможность выполнения операций с повышенной точностью и нагрузкой в зонах, недосягаемых для более простых систем. Но из-за сложности она оправдана лишь в случае необходимости выполнения особо трудных операций, не достижимых для более простых систем.
Шестикомпонентный датчик сил и моментов
Сформулируем выводы по результатам температурного моделирования: шарниры способны работать в условиях открытого космоса длительное время в различных режимах и при различных характерных условиях при постоянном контроле температуры ее узлов; наиболее эффективным способом снижения температуры шарнира является обеспечение оптимального соотношения коэффициентов поглощения солнечного света и радиационного излучения. Обоснован выбор серебристого или серого типа покрытия с коэффициентами En = 0,5, As = 0,5 или близкими к ним; нагрев критичных к температуре компонентов шарниров на теневой стороне рационально осуществлять при помощи встроенных в конструкцию нагревательных элементов. Мощность, требуемая для компенсации охлаждения шарнира, не превышает 10 Вт.
Рассмотрев сценарии, по которым должна работать ТМС, чтобы выполнить поставленные задачи, можно сформировать предложение о составе сенсорной системы, который для этого достаточен. При этом некоторые датчики могут иметь альтернативный вариант, отличающийся габаритами, измерительными характеристиками или допустимыми условиями эксплуатации. Тогда в широкий список, содержащий все упоминаемые варианты, будет выглядеть следующим образом:
После рассмотрения характеристик существующих моделей вышеперечисленных датчиков был сформирован следующий состав сенсорной системы: Универсальная трёхмерная СТЗ высокого уровня, способная распознавать крупные объекты в окружающем пространстве. СТЗ имеет два уровня: аппаратный и программный. Аппаратный уровень представлен парой компактных промышленных видеокамер, расположенных в основании ТМС и микроконтроллером (компьютером). Программный уровень построен с применением методов искусственного интеллекта и предусматривает возможность самообучения СТЗ.
Прикладная двумерная СТЗ низкого уровня, решающая задачи поиска и определения меток, а также распознавания образа заданных типовых элементов. Аппаратный уровень СТЗ - это видеокамера (либо две видеокамеры), расположенная на ЗУ, программный уровень реализован в микроконтроллере с применением распознавания корреляционным методом.
Шестикомпонентный силомоментный датчик, определяющий усилие, прикладываемое схватом к объекту, а также уровень воздействия на схват внешних сил. Расположен в основании ЗУ, информационно связан непосредственно с СУ верхнего уровня.
Система из трёх тактильных датчиков, расположенных в растворе губок ЗУ и определяющих ориентацию поручня по отношению к захватному устройству. В системе используется контактный датчик угла поворота на основе эффекта Холла.
Система энкодеров, расположенных по одному в каждом шарнире для определения положения модулей ТМС относительно базовой точки, а также в приводе губок ЗУ для определения расстояния между губками.
Система из трёх инфракрасных (ИК) дальномеров, расположенных на ЗУ, как замена системы тактильных датчиков, а с помощью более сложной системы обработки информации её возможности становятся гораздо выше. Появляется возможность определять различные типы захватываемых объектов и бесконтактно определять наличие препятствий на пути движения ТМС. Лидар, расположенный в основании ТМС, который может формировать трёхмерную модель окружающего пространства и по ней определять месторасположение интересующих объектов. 3.3.2. Размещение элементов сенсорной системы на ТМС
Общий вид ТМС с датчиками Было проведено моделирование внешнего вида ТМС, движения ТМС по техногенному ландшафту, процесса захвата такелажного элемента ЗУ фиксации. Ниже приведены разработанные модели: внешний вид ТМС в целом представлен на рисунке 3.27, два типа ЗУ на рисунках 3.28 и 3.29, а также аппаратный блок на рисунке 3.30.
В 2009 – 2011 гг. были разработаны различные модификации датчика выходного момента шарнира. Данные датчики, включенные в состав каждого шарнира РТС, должны снабжать СУ РТС информацией о внешних моментах, воздействующих на шарниры [32, 33, 34].
Принцип действия датчика основан на измерении деформации упругого элемента с помощью тензорезистивных преобразователей. Датчик представляет собой фланец дискообразной формы, состоящий из внешнего и внутреннего обода, к которым крепятся нагрузка и вал двигателя, соответственно, и нескольких спиц, играющих роль упругого элемента. При приложении нагрузки спицы датчика упруго деформируются, изгибая закрепленный на них тензорезистор, что приводит к изменению его сопротивления. Регистрируя изменение сопротивления тензорезистора, вычисляется момент нагрузки, приложенный к датчику. В первом варианте датчика использовалось 4 спицы, а сам фланец был изготовлен из сплава АМг6. Второй образец является усовершенствованием первого, со следующими доработками: - переход к трехспицевому варианту (меньше каналов обработки сигнала, меньше габариты платы обработки, точность не стала хуже); - добавлены пазы у вершины спиц, компенсирующие паразитные напряжения; - добавлены механические упоры, которые срабатывают при максимальном моменте, не допуская пластической деформации спиц в случае приложения к датчику нештатных нагрузок; - используется алюминиевый сплав B95, характеристики которого значительно лучше характеристик АМг6 (в частности, выше предел пластической деформации).
